Notes and References

El dispositivo de control se diseñó con capacidad de controlar el sistema en cualquier circunstancia que se pudiera presentar. El volumen total de la cámara consta de 74 cm3 _{y puede soportar una presión máxima de}

17.24 MPa. Los requerimientos del sistema para mantener una potencia constante son de máximo 57 cm3 y 9.18 MPa respectivamente. La influencia de la temperatura ambiente sobre el sistema se muestra en la figura 4.12 manteniendo una irradiancia directa de 1100 W/m2_,

otorgando una potencia constante.

Figura 4.12. Requerimientos de volumen muerto y presiones máximas

Además de haber diseñado el dispositivo de control y demostrado que puede trabajar efectivamente, se encontró en el estudio que al aplicar el método de volumen muerto mediante esta técnica se puede aumentar la eficiencia del sistema significativamente. Se observó que manteniendo una cantidad de fluido de trabajo fija, la potencia entregada por el

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motor Stirling varia al cambiar la cantidad de volumen muerto, sin que forzosamente esta potencia disminuya al aumentar este volumen. Es decir, existe una cantidad de fluido de trabajo ideal para extraer el calor del calentador y convertirla en trabajo útil, con lo que al poder tener la cantidad idónea de fluido de trabajo barrido, se tiene la mayor eficiencia posible a condiciones dadas del sistema, evitando pérdidas por fricción y logrando obtener mayores temperaturas en el fluido. Dicho en otras palabras al tener una cámara de volumen variable, se puede controlar la cantidad de fluido barrido por los pistones y se puede obtener la cantidad de fluido óptima para la magnitud de radiación solar disponible, según la capacidad calorífica del gas y tiempo de duración del ciclo, como se muestra en la figura 4.13.

Figura 4.13. Influencia de volumen muerto en la potencia

Estos resultados indican que al tener la ventaja de poder trabajar con la cantidad de volumen muerto idóneo (o cantidad de fluido dentro del ciclo efectivo) se logra que el sistema sea más eficiente, produciendo

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una mayor cantidad de energía eléctrica. Así el control que se observó en la figura 4.6, trabajaría también en las irradiancias donde no se necesite reducir la potencia, como se muestra a continuación.

Figura 4.14. Potencias “con” y “sin” sistema de control

Teniendo esto en cuenta, se puede realizar una comparación de la energía producida por el sistema “con” y “sin” el sistema de control. Dicha comparación se realizó considerando irradiación y temperatura ambiente promedio para la ciudad de Chihuahua. Se encontró que se produce mayor cantidad de energía eléctrica utilizando el sistema de control, teniendo una producción aproximada de 3,322 kWh/año sin control y una de 4,043 kWh/año utilizando el sistema de control, obteniendo un 21% más de energía eléctrica al utilizar el sistema de control.

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Capítulo 5

Conclusiones

En este estudio se evaluaron diferentes técnicas de control y se demostró que la mejor opción para trabajar con el motor Stirling descrito, fue la técnica de control por volumen muerto. Encontrando óptimos resultados para manipular la potencia, pocas piezas móviles para realizar el proceso y una forma sencilla de aplicar la técnica.

Al analizar el comportamiento del generador, se pudo conocer la potencia y velocidad necesaria que se requiere en el sistema disco Stirling para trabajar de forma acorde y observar como los cambios de potencia en el motor pueden afectar la respuesta del generador, con el fin de conocer la magnitud de volumen muerto necesaria y mantener los parámetros del generador dentro un rango permitido.

Se estudió el comportamiento y la disponibilidad del recurso solar de la región, para hacer coincidir el punto de máxima eficiencia con el rango de irradiancia con mayor aporte energético. También se obtuvieron los máximos cambios de irradiancia existentes y se diseñó el sistema para que tenga la capacidad de cambiar la magnitud de volumen aplicado a la velocidad requerida, logrando mantener una operación estable en el sistema.

Se logró regular la potencia y velocidad de motor de manera eficaz, aplicando la técnica de volumen muerto mediante una cámara de volumen adicional variable. Se simulo la conexión del motor Stirling con

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un generador asíncrono, determinando cuales eran las características de operación necesarias, así como los límites de frecuencia y voltaje establecidos para la interconexión eléctrica. Se observó que el sistema de control es capaz de trabajar de forma satisfactoria para este propósito, teniendo en consideración las propiedades mecánicas del calentador y operando de una forma eficiente, con la insolación de la localidad de Chihuahua.

Se utilizó esta misma técnica de control para hacer más eficiente la operación del motor, estableciendo una cantidad de masa optima mediante la variación del volumen en función de la irradiancia, logrando obtener una mayor eficiencia al mantener la cantidad idónea de fluido en el espacio de trabajo, consiguiendo una mejora en el funcionamiento del ciclo Stirling.

Además del aumento de eficiencia, las ventajas más representativas del diseño propuesto contra los otros dispositivos estudiados son:

- Requiere de menos dispositivos o elementos mecánicos.

- Es capaz de restablecer el sistema al momento de ser requerido

de manera casi instantánea.

- Tiene la ventaja de poder cambiar la potencia en una forma

progresiva y no escalonada, logrando una excelente modulación de la potencia.

- No existe la necesidad de tener algún almacenamiento externo del

flujo de trabajo (compresor y tanque).

- Se puede tener el sistema en el punto más eficiente en cualquier

punto de operación.

77 - Es de fácil construcción, por lo que no se requiere de maquinaria o

herramientas especializadas para su fabricación.

- Se tiene fácil acceso en caso de algún mantenimiento correctivo.

El dispositivo diseñado resulta una muy buena opción para utilizarse como sistema de control, dado que la técnica utilizada tiene una sencilla implementación y el funcionamiento simulado indica que operaria adecuadamente, teniendo múltiples ventajas y haciendo a este tipo de tecnología (sistema Disco-Stirling de baja potencia) más atractiva.

El diseño del dispositivo mostro un forma novedosa de implementar la técnica de control por volumen muerto mostrando importantes mejorias, lo que permitió generar una solicitud de la patente, la cual se encuentra en revisión.